摘要
地铁线路及车站选址往往在城市中心区或繁华地段，要在城市的繁华地段找到一块不小的地方来放置冷冻站，尤其是冷却塔，是有相当难度的。集中冷站方式能够很大程度上缓解这个问题。但是，与传统的分站供冷方式相比，集中冷站方式具有新的特点，对于系统的调节、控制也提出了新的要求。
本文对广州地铁三号线集中冷站系统的调节和运行控制的策略进行了浅析。
广州地铁三号线集中冷站系统构成及特点
广州地铁三号线集中冷站采用了施耐德高端PL C QUANTUM 控制器系列，对集中冷站和车站进行控制，各车站与集中冷站之间采用多模光纤以太网通讯方式，通讯协议为MODBUS TCP .大大保证了通讯速率和通讯信息量的要求，同时也保证了通讯距离和系统的安全可靠性。送排风及空调系统采用变频器调节风量，水系统二次泵也均采用变频器调节。变频器与通过Modbus通讯接口接入就地远程I/O箱的远程通讯模块上，大大减少了通讯线的距离，避免了干扰。
● 集中冷站系统构成
○ 集中冷站供冷系统由集中冷站，传输管道和末端设备构成
○ 其中供冷系统图如图1-1，冷站系统图如图1-2
集中冷站系统特点
与分站供冷方式相比，集中冷站供冷系统需要为多个车站供冷，在供冷范围和数量上都要大得多，有以下几个主要特点：
● 冷冻水传输距离长。一般地铁站距在1000米左右，本系统为6个车站供冷，冷冻水传输距离将达 2000～3000米。长距离传输，管路的阻力大为增加，并且系统的热惰性加大，增大了系统的调节难度
● 末端设备数量多，供冷管路形成网络。由于各站的负荷情况不同，系统调节时易导致出现相互影响，需考虑整个网络的整体水力平衡
● 集中冷站供冷系统的制冷部分，通常采用多机组，二级泵的形式。这种形式适应了长距离管路输送阻力较大的情况，能够减小末端系统对冷机的影响。但是增加了泵的数量和管路复杂性，使调节控制的难度加大
调节控制方法与策略
调节控制手段
● 广州地铁三号线集中供冷系统中，PLC采用的调节控制手段有：
○ 风机变频变风量(末端设备)
○ 水泵变频变水量
○ 水阀调水量
○ 质调节
调控手段的选择
由于管路很长，冷冻水从集中冷站到末端设备需要运行数十分钟，如果采用质调节，则调节时滞太大。因此在实时控制中，主要采用量调节的方式(包括风量调节和水量调节)。质调节则采用开环方式，根据外温或季节确定冷冻水温，并在一定时间内(比如1天内)保持相对稳定。
二级泵管路长，阻力大，且流量直接受末端负荷的影响，因此二级泵采用变频调节，可以达到较好的节能效果。同时为了保证通过冷水机组的水量，一级泵采用定速泵，并与冷机对应运行，不进行变频调节。
从节能的角度考虑，优先考虑节能效果较好的风机变频和水泵变频调节，尽量少使用水阀调水量的方法。
控制调节的策略
初调节
集中冷站供冷的管路复杂，不同支路之间的阻力差距大，因此需要进行认真的系统初调节，以免系统水力失调，导致运行调节无法正常进行。
● 初调节目标：
○ 验证系统可以达到设计工况
○ 实现系统的水力平衡，为运行调节准备条件。
● 调节步骤
经多次调整，使系统内各机组的流量基本相同(如机组型号不同，则各机组的流量比值应基本相同。流量比值=实际流量/设计流量)。且至少1个机组的阀门为全开状态。
1、调整一级泵系统水力平衡
2、设计频率整定
运行调节
● 调节目的
○ 保证系统稳定运行，满足车站热环境需求
○ 车站负荷变化时，系统能及时调节以适应负荷的变化，并保证系统的稳定运行
○ 系统的能耗最小
● 车站末端设备的调节控制框图如下：
控制方法：
同时PID调节风量和水量。风量由车站温度Tc值直接控制，水阀开度也由车站温度Tc控制。风机频率各站独立调节，电动二通阀开度则上传冷站，由冷站对二级泵和电动二通阀进行统一调控。
● 二级水泵变频调节
控制框图如下：
控制方法：
开机时，水泵以初始设定频率运行(该频率在初调节时确定)。
根据所有末端二通调节阀的开度，来调节水泵频率。
水泵频率采用步进方式调节，步长和调整时间间隔现场调试确定。
全部运行水泵均同频运行。
当水泵频率变化时，同时向各二通调节阀发出新的开度指令，以保持末端流量基本稳定。
● 二级泵台数控制
○ 当减少台数时：
○ 增加台数时：
Fnew：新频率 Fold：原频率
Nnew：新运行台数 Nold：原运行台数
二级泵运行台次的选择：
根据前一日累计运行时间，运行时间短的先启动，并实行先启后停，后启先停的原则。
● 冷水机组/冷冻水一级泵/冷却泵/冷却塔的控制
○ 冷冻水一级泵/冷却泵与冷机一一对应运行。
○ 冷水机组采用定水温运行。水温由EMCS系统设定。此温度每天设定一次。
○ 冷机自行控制负荷率，以保证出水温度在设定值附近。
○ 冷机的运行台数根据实际冷负荷确定。
空调机组的实时控制方案
末端空调机组拥有变频风机、二通调节水阀、变频二次泵等多种实时控制手段，可以采用多种控制方案。广州地铁三号线集中冷站采用了如下方案：
同时调节风量和水量。风量水量均由Tc值直接控制。优点：控制合理，能耗最低。风量各站独立调节，确保以最小的风机能耗满足车站负荷变化的需要。二通调节水阀和变频泵的调节则由冷站控制系统统一管理监控，保证冷冻水网络的稳定性，并现最大限度的节能(二通调节水阀开度最大，二次泵运行频率最低)。挑战：风水同时调节，调节力度大，可能造成系统震荡。需认真调整PID参数。二通阀和变频泵需由冷站系统统一监控，算法较为复杂。
由于采用了施耐德电气性能最高的PLC处理器，充分发挥了PLC运算速度快，PID功能强大，通讯接口多的特点，很好的实现了空调机组的实时控制。
二次泵的控制
从节能角度考虑，应尽量多泵低转速运行，这样，每台泵流量小，泵所在支路的压力损失也小。
但是，泵的最低转速有限，且泵的轮换运行有助于设备维护，考虑到集中冷站系统的干管阻力比较大，因此变台数运行的能耗增加不多。故将泵转速维持在中间转速。
控制方案还根据流量计的数据计算当前实际流量，预先测量单泵/双泵/三泵等情况下额定转速时的流量，根据实际流量决定开启台数。
运行特点和节能效果
1. 冷站与各分站之间单独组建光纤网络，保证了EMCS集中冷站系统如期开通、也保证了EMCS系统的完整性，大大减少了专业之间艰巨的协调工作。
2. 各分站的环境自动控制由集中冷站统一进行数学模型运算和控制，避免了各车站之间的偶合作用。
3. 集中冷站控制器实时的、动态的求解各分站冷冻水支路最不利末端，保证所有车站的水量都能满足设计需求
4. 充分发挥变频水泵的变频节能优势，保证最不利末端差压刚好满足调节需求，大大降低了二次水泵的能耗。
5. 各车站实现了动态水平衡，效果非常好。广州地铁三号线集中冷站及通风空调系统已经实现了全自动、节能运行，得到了地铁公司用户和设计院的高度肯定。
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